黄河泥沙用于高速公路路基填筑的可行性研究

赵然杭 华丽丽 刘恒洋

摘 要：黄河泥沙的利用是维持黄河健康发展的突破口。为分析黄河泥沙用于高速公路路基填筑的可行性，取引黄济青渠首沉沙池中淤积的黄河泥沙，进行筛分、击实、液塑限联合测定、承载比等公路土工试验，并对长深高速高青至广饶段K23+620—K23+720路基施工现场应用情况进行检测。试验结果为：黄河泥沙属于公路土中级配良好的砂类土，最大干密度范围为1.62～1.65 g/cm3，最佳含水率范围为14.0%～14.7%，液限为29.5%，塑性指数为9%，承载比为16.8%，工程现场检测上路床压实度均值为97.2%，下路堤压实度均值为95.1%，均满足规范要求，表明黄河泥沙用于高速公路路基填筑是可行的。

关键词：黄河泥沙;土工试验;路基填料

Abstract：The utilization of the Yellow River sediment is a breakthrough to maintain the healthy development of the Yellow River. In order to analyze the feasibility of the Yellow River sediment used in highway roadbed filling， the silted Yellow River sediment in the sediment basin at the head of the Yellow River-Qingdao Canal was taken for screening， compaction， joint determination of liquid-plastic limit， CBR and other highway geotechnical tests， and the field application of K23+620-K23+720 roadbed construction in Gaoqing-Guangrao section of Changshen Expressway was tested. The test results show that the Yellow River sediment belongs to sandy soil with good gradation in highway soil; the maximum dry density ranges from 1.62 g/cm3 to 1.65 g/cm3; the optimum moisture content ranges from 14.0% to 14.7%; the liquid limit is not more than 50% and the plastic index is not more than 26%; California Bearing Ratio is 16.8%; the average compactness of the upper roadbed and the lower embankment is 97.2% and 95.1%， which meet the requirements of the specification， indicating that the Yellow River sediment is feasible for highway subgrade filling.

Key words： Yellow River sediment; soil test; subgrade fill

1 引 言

长期以来，泥沙问题是黄河的一个心腹大患，而对于黄河泥沙的研究一直受到国家和有关专家学者的高度重视，“治水先治沙”也一直是治理黄河的一大方针。近年来，随着技术水平的提高和经济社会的发展，人们开始不局限于对泥沙进行治理，而将泥沙视为一种资源，转为对泥沙进行利用。

从广义角度划分，黄河泥沙利用方式可以分为自然利用和人工利用两大方面[1]，自然利用包括填海造陆、平原塑造，人工利用泥沙的措施包括砌体材料、建筑砂料等。王晓彤等[2]在利用黄河泥沙充填采煤沉陷地方面进行了深入研究，通过对比黄河下游泥沙与山东省济宁市采煤沉陷区农田土壤的理化性状，表明黄河泥沙是一种绿色、安全的充填材料。相关研究[3]表明，黄河泥沙的硅酸盐类属性，使其可以作为矿产资源进行开发，也可作为制造陶瓷及玻璃制品的原料。根据泥沙利用方式和实现途径的不同，曹永潇[4]对泥沙资源的管理进行了相关研究。

随着中国交通设施建设尤其是高速公路建设的飞速发展，对路基原材料的需求逐渐上升，在利用“废弃物”填筑公路路基方面也开始受到重视。卢佩霞等[5]对扬州市生活垃圾焚烧发电厂的垃圾炉渣进行土工特性分析，发现垃圾炉渣能够满足二级及以下公路路基填料要求。杨闯等[6]在利用煤矸石填筑公路路基方面也做了相关研究，级配的不均匀性使得煤矸石在利用时很难达到理想的压实度，需合理配置粗细颗粒相对含量。

虽然有关学者针对黄河泥沙利用、“废弃物”填筑路基等作了很多研究，但是黄河泥沙应用于公路路基的相关研究甚少，也未对黄河泥沙进行公路土工试验特性分析，更未见高速公路路基应用情况的报道。从黄河泥沙的基本特性与成分来看，泥沙类似于沙石，基本符合路基填筑要求，若将黄河泥沙用于路基填筑，则既能降低路基填筑成本，又能大规模利用黄河泥沙，减少泥沙淤积。

引黄济青工程是山东省“七五”期间重点工程之一，是为从根本上解决青岛水资源短缺而兴建的大型跨流域、远距离调水工程。引黄济青渠首沉沙池位于引黄济青工程的源头，承担着从黄河引水、蓄水、沉沙等重要功能。截至2017年年底，沉沙池已累计拦沙1 205万m3，清出的大部分沙土沿隔堤内侧贴坡堆放形成弃土场，弃土场不断淤高，形成了大面积的沉沙高地，泥沙堆积裸露，遇风极易起沙，尤其是在春冬多风季节，降雨量少，土壤干旱，风力侵蚀尤為严重，晴天尘土飞扬，侵蚀农田，造成周边土地不断沙化，严重影响周边村庄群众日常生活。为改善引黄济青渠首生态环境，急需开展黄河泥沙资源化利用问题的研究。因此，笔者对黄河泥沙进行土工试验研究，结合山东省路桥集团有限公司将黄河泥沙用于路基填筑的应用效果检测结果，分析黄河泥沙应用于高速公路路基的可行性，为黄河泥沙在路基上的应用提供技术参数。

2 材料与方法

2.1 试验材料

室内试验用沙取自引黄济青渠首2号沉沙池上游沿隔堤内侧贴边堆放的黄河泥沙，在隔堤弃土场内均匀布设3个采样点，采样点间距为10 m，每个采样点挖取1 m3的沙样。

现场检测在长深高速高青至广饶段K23+620—K23+720路基填筑施工现场进行，利用弃土场内经过自然风干、晾晒和去杂的黄河泥沙进行路基填筑，并经过机械碾压后进行检测。

2.2 试验方法

采用室内土工试验与现场检测相结合的方法进行试验。

室内土工试验确定黄河泥沙的颗粒级配、最大干密度与最佳含水率、液塑限指数、承载比;现场试验检测黄河泥沙的应用效果，测试压实度，为黄河泥沙应用于路基填筑提供参数依据。

（1）颗粒级配测定方法。路基填筑对于路基土的颗粒级配是有严格要求的，需要级配良好的路基土。依据《公路土工试验规程》[7]（JTG E40—2007），试验采用筛分法，利用电热鼓风干燥箱、土壤筛、电子天平来分析颗粒级配。

（2）最大干密度、最佳含水率测定方法。试验执行击实试验中的重型击实试验方法测定室内最大干密度，共进行10组试验，每组试验准备5个沙样，采用仪器有多功能电动重型

击实仪、电子天平、电热鼓风干燥箱、电子称等仪器。使用内径为100 mm的试筒装填沙样，在击锤质量4.5 kg、落距45 cm的情况下，分5层击实，每层击实27次，测得每组试验的最大干密度和其对应的最佳含水率。

（3）液塑限指数测定方法。土壤液塑限指数可以反映土壤的入渗、抗冲、抗蚀和抗剪等情况，对路基的质量有重要影响。试验采用液塑限联合测定法对黄河泥沙的液限和塑限进行测定，取0.5 mm筛下的代表性沙样200 g，分成3份，做两组，分别放入盛土皿中，加入纯水之后反复调整含水量，使其分别接近液限、中间状态和塑限的含水率。

（4）承载比测定方法。路基土的承载能力是指路基土抵抗因承受地面荷载而产生的竖向位移变形的能力。表征路基土承载能力的指标有回弹模量、加州承载比、地基反应模量等。加州承载比[8]是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的指标，承载能力以材料抵抗局部荷载压力变形的能力表征，并以标准碎石的承载能力为标准，用相对值的百分数表示。试验执行《公路土工试验规程》中的承载比试验方法，采用承载化试验机，将标准沙样浸水96 h，饱水之后进行贯入试验，每层击数为98，当贯入量达到2.5 mm时，单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载压力的比值即为承载比，同时计算贯入量达到5 mm时的承载比，如果贯入量达到5 mm时的承载比大于贯入量达到2.5 mm时的承载比，试验应重做，如果结果相同，则采用贯入量为5 mm时的承载比。

（5）压实度测定方法。路基压实度反映路基每一压实层的紧密强度，指工地实际达到的干密度与实验室中标准击实试验得到的最大干密度的比值，只有每一压实层的紧密强度都符合规定，路基的整体强度、稳定性、耐久性才能满足要求。用黄河泥沙代替素土用于长深高速高青至广饶段K23+620—K23+720路基段的填筑，仅用于上路床与下路堤的填筑。上路床按6%的比例掺入石灰，铺设一层，厚度为30 cm;下路堤按4%的比例掺入石灰，铺设一层，厚度为25 cm，并执行《公路路基路面现场测试规程》[9]（JTG E60—2008）中的挖坑灌砂法测定压实度。施工过程中，每一压实层均应检验压实度，每1 000 m2至少检验2点，根据现场实际施工面积，在碾压后的土层上选取路基平整、土质均匀的4个测点，采用小型灌砂筒、标定罐、基板、玻璃板、试样盘、电子称及辅助工具，进行挖坑灌砂法试验。

3 结果分析与讨论

3.1 颗粒级配分析

黄河泥沙筛分结果见表1，颗粒级配曲线见图1。

由表1可知，黄河泥沙的粒径均小于2.0 mm，粒径大于0.075 mm的土质量百分比为73.2%，按照《公路土工试验规程》中土的分类，粒径大于60 mm的质量小于或等于总质量15%，且粒径大于0.075 mm的质量大于50%的土为粗粒土。在粗粒土中，又分为砾类土和砂类土，2～60 mm之间的土为砾类土，0.075～2 mm之间的土为砂类土。粗粒土中砂类土质量小于砾类土质量的土为砾类土，反之为砂类土。由此可得，黄河泥沙属于公路土中的砂类土。

由图1可知，泥沙粒径为0.25～2 mm时曲线走势比较平缓，该粒径范围的泥沙质量占比为5.1%;当粒径小于0.25 mm时，曲线呈现陡直下降的特征，粒径在0.075～0.25 mm范围的泥沙质量占比为68.1%，在泥沙级配中占主体。

土颗粒组成特征用土的级配指标不均匀系数Cu和曲率系数Cc表示[10]。不均匀系数Cu反映粒径分布曲线上的土粒分布范围，按下式计算：

从图1可知：d10=0.03 mm，d30=0.08 mm，d60=0.16 mm，计算得出Cu=5.33，Cc=1.33。《公路土工试验规程》规定，当砂类土或砾类土同时满足Cu≥5和Cc=1～3两个条件时，称为级配良好。由此可知，黄河泥沙为公路土中级配良好的砂类土，其级配组成满足《公路路基设计规范》[11]，可以作为路基土使用。

3.2 最大干密度与最佳含水率分析

土工击实试验结果见表2，1～4号沙样含水率与干密度的关系如图2所示。

由表2可知，10组沙样试验的最大干密度范围为1.62～1.65 g/cm3，均值為1.64 g/cm3，其对应的最佳含水率为14.0%～14.7%，可为路基填筑现场检测压实度提供数据支持。

3.3 液塑限指数分析

液塑限联合测定法测得沙样的锥入深度（H）与含水率（W）关系见表3，根据试验结果绘制的锥入深度与含水率的关系图如图3所示。

由图3可知，黄河泥沙液限为29.5%，塑限为20.5%，塑性指数为9%，符合《公路路基设计规范》的规定“路基填料液限不大于50%、塑性指数不大于26%”，对照规范指标，黄河泥沙为低液限土，满足路基填料的工程指标要求。

3.4 承载比指标分析

承载比试验记录见表4，单位压力与贯入量关系曲线如图4所示。

由表4和图4可知，试验贯入量为2.5 mm时的承载比为16.8%，贯入量为5 mm时的承载比为14.8%。根据《公路土工试验规程》规定，贯入量为2.5 mm时的承载比大于贯入量5 mm时的承载比，结果采用贯入量为2.5 mm时的承载比，即黄河泥沙的承载比为16.8%，符合《公路路基施工技术规范》[12]中高速公路及一级公路下路堤、上路堤、下路床与上路床填料承载比要求。

3.5 压实度分析

经过路基的层层铺设与碾压，对上路床30 cm厚度的土层与下路堤25 cm厚度的土层进行现场压实度检验，结果见表5。

由表5可知：上路床土层4个测点的压实度范围为96.5%～98.3%，均值为97.2%，表明工地实际达到的干密度与最大干密度比值为97.2%，含水率也接近最佳含水率，土层的稳定性良好，满足设计要求（压实度设计值为96%）;下路堤土层4个测点的压实度范围为93.3%～96.9%，均值为95.1%，满足压实度大于93%的设计要求。压实度间接反映土层的含水率，由于黄河泥沙透水性好、黏结度小，含水率低时土层松散、承载力低，含水率过大容易造成弹簧、翻浆，因此黄河泥沙用于路基填筑时要注意掌握好压实度。

3.6 讨 论

室内试验结果表明黄河泥沙属于公路土中级配良好的砂类土，虽然满足《公路路基设计规范》对路基填料的要求，但从黄河泥沙筛分结果来看，含有较大比重的细沙，所以黄河泥沙在用于路基填筑时应注意掌握好压实度，并且可以掺入石灰对土质进行改良[13]，提高抗剪强度。

虽然将黄河泥沙应用于高速公路的路基填筑时压实度满足设计要求，但是公路的建设正处于施工阶段，还未通车运行，应继续对黄河泥沙在公路上的应用效果进行跟踪评价，为黄河泥沙应用于公路路基填筑提供进一步的技术参考。

受坡降、流速、冲刷、人类活动等影响，黄河泥沙粒径随时空的变化有所差异[14]，本文只是对黄河下游泥沙进行室内土工试验和工程现场检测，试验结果满足路基填料的相关规定与设计要求，如需利用黄河中上游泥沙，仍需进行公路土工试验分析，探讨是否满足规范要求。

由于黄河泥沙质地疏松，透水性好，黏结度小，因此在应用于公路路基填筑时要做好路基排水措施，尽量避免应用于多雨潮湿地区和地下水位过高地区。

4 结 论

通过室内公路土工试验与应用黄河泥沙于长深高速高青至广饶段K23+620—K23+720路基现场检测试验，得到：黄河泥沙属于公路土中级配良好的砂类土，液限为29.5%、塑性指数9%，承载比为16.8%，均符合《公路路基设计规范》与《公路路基施工技术规范》中路基填料的相关规定;路基应用效果检测测得上路床压实度均值为97.2%，满足压实度设计值为96%的要求;测得下路堤压实度均值为95.1%，满足压实度设计值为93%的要求。结果表明黄河泥沙是一种良好的路基填筑材料，可以代替素土使用，不仅符合一般公路路基的填筑要求，而且可以作为高速公路的路基填料。

考虑到泥沙运输的费用，黄河泥沙可以用于近距离的公路及高速公路的路基填筑，泥沙价格较低，大规模利用黄河泥沙既可以降低公路及高速公路路基填筑成本，又可以减少黄河泥沙在周边的淤积，减少周边土地的沙化，改善周边的生态环境，找到一条黄河泥沙的长久利用之道，实现黄河的健康、可持续发展。

参考文献：

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【责任编辑 张 帅】